第4课数字信号的基带传输

第4课数字信号的基带传输11数字基带信号来自数据终端的原始数据信号，如计算机输出的二进制序列，或者是来自模拟信号经数字化处理后的PCM码组等等都是数字信号。这些信号往往包含丰富的低频分量，甚至直流分量，称之为数字基带信号。在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接传输，称之为数字基带传输。而大多数信道，如各种无线信道，数字基带信号必须经过载波调制，把频谱搬移到高频处才能在信道中传输，这种传输称为数字频带（调制或载波）传输。21数字基带信号什么是数字基带信号？频带分布在低频段（通常包含直流）且未经过调制的数字信号通常被称为数字基带信号。在数字基带传输系统中，发送端和接收端不需要安装调制、解调装置，直接在信道上传送基带信号。31数字基带信号基带信号是什么样子？基带信号有很多种码型。最基本的是不归零码。频带信号（调制信号）是什么样子？t10110t41数字基带信号数字基带通信系统的应用主要用于近距离有线通信。大多数的局域网使用基带传输，比如常见的网络设计标准100BaseT使用的就是基带信号。从计算机到显示器、打印机等外设的信号都是基带信号。52、基带信号的各种码型基带信号的各种码型码型：数字消息的电脉冲表示形式（用什么样的信号表示1或者0）码型变换：选择合适的码型表示数字序列译码：将码型还原为原来的数字序列常见的码型有单极性不归零码、双极性不归零码、单极性归零码、双极性归零码、差分码、双相码、CMI码、AMI码、HDB3码、4B5B码等。62.1基本码型以下先介绍几种基本的码型。（1）单极性不归零码（NRZ）用正电平和零电平两种取值分别表示二进制码1和0，在整个位持续期间电平保持不变，此种码通常记作NRZ（不归零）码。这是一种最简单的码型。7单极性不归零码t优点：简单，易于实现缺点：有直流成份连续的1或0码元难以实现同步。2.1基本码型关于直流关于位同步8关于位同步在数字通信系统中，接收端将接收到的信号还原为原始的信号，首先必须对它进行采样判决。数据序列是按一定的速率一个码元一个码元地传送，接收端也应该按相同的速率一个码元一个码元的接收下来，这就要求接收端必须提供一个确定采样判决时刻的定时时钟信号。这个定时时钟信号的重复频率必须与发送端的码元速率相同，同时在最佳判决时刻（或称为最佳相位时刻）对接收码元进行抽样判决。在接收端产生这样一个定时时钟信号就是位同步。有了准确的位同步，就可以用较低的误码率恢复已被接收到了的可能畸变了的数字信号。位同步的方法可分为外同步法和自同步法。9关于位同步外同步法是发送端单独将位定时信息送到接收端去，用它作为接收端位定时标准。自同步法是指发送端不专门向接受端传送位同步信号，接收端所需要的位同步信号从接收端收到的数字信息流中提取出来。比如信号中包含有提示接收方起始、中间或结束位置的电平的跳变就可以完成自同步。10（2）双极性不归零码(NRZ-L)

用正电平和负电平分别表示1和0，在整个位持续期间电平保持不变。2.1基本码型优点：一般认为1和0出现的概率相同，所以电平平均值为0，即无直流分量；接收端恢复信号的判决电平也是零值。缺点：连续的1或0码元难以实现同步。t11（3）差分码(NRZ-I)

在差分码中，1和0分别用电平的跳变或不变来表示。这种码型的信息1和0不直接对应具体的电平幅度，而是用电平的相对变化来表示，其优点是信息存在于电平的变化之中，可有效地解决PSK同步解调时因收信端本地载波相位倒置而引起信息“1”和“0”的倒换问题，故得到广泛应用。由于差分码中电平只具有相对意义，因此又称为相对码。如果采用差分码,则在接收信号时只需检测信号电平是否发生跳变,不必将其与判决电平进行比较,因而在有噪声影响的情况下这种码型更为可靠2.1基本码型12差分码（1表示“电平跳变”；0表示“不跳变”）t设初始状态为高电平差分码是以电平跳变来表示数据信息。以差分码传输数据时，在一个位传输的持续时间内信号电平不会出现跳变。特点：在传输连续的码元1时，能同步，连续的0时不能同步2.1基本码型13（4）单极性归零码用正极性的归零码表示1，用零电平表示0。发送1时正电平在整个位期间Tb内只持续一段时间，在其余时间则返回到零电平。2.1基本码型14发送1时正电平在整个位期间Tb内只持续一段时间，在其余时间则返回到零电平，发送0时是零电平。2.1基本码型t缺点：连续的0难以实现同步有直流、15（5）双极性归零码用正极性的归零码和负极性的归零码分别表示1和0。这种码兼有双极性和归零的特点。发送1时正电平在整个位期间Tb内只持续一段时间，在其余时间则返回到零电平，发送0时负电平在整个位期间Tb内只持续一段时间，在其余时间则返回到零电平。2.1基本码型16发送1时正电平在整个位期间Tb内只持续一段时间，在其余时间则返回到零电平，发送0时负电平在整个位期间Tb内只持续一段时间，在其余时间则返回到零电平。2.1基本码型t优点：无直流、最佳判决电平确定(=0)可以保持正确的码元同步172.2码型设计原则由于不同的码型具有不同的特性，因此在设计或选择适合于给定信道传输特性的码型时，通常要考虑以下的因素，或者说要遵循以下原则：182.2码型设计原则（1）码型中应不含直流分量，低频分量尽量少。当数字信号中的电平保持一段时间的恒定时，频谱会产生很低的频率，这些接近于0的频率称为直流成分，会给不允许通过低频率的系统或者使用电子耦合的系统（如变压器）带来问题。如，电话线不能通过低于200Hz的频率。还有长距离的链路可能使用一个或多个变压器来隔离线路的不同部分，对于这些系统，我们要使用无直流的方案。如果传输信号中存在接近0频率的分量，则在传输中就会丢失，而在接收端会产生波形失真。（2）码型中高频分量尽量少。这是因为一条电缆中包含有许多线对，线对间由于电磁感应会引起串音，且这种串音随频率的升高而加剧。192.2码型设计原则（3）码型中应包含定时信息。基带信号在接收端进行取样、判决、再生数字信号时，必须有采样定时信号。一般来说，这种定时信号是从基带信号中提取获得的。这就要求信号中含有（或经过简单处理后含有）定时信号频率分量的线状谱，以便提取定时信号。202.2码型设计原则（4）码型具有一定检错能力。若传输码型有一定的规律性，那么就可根据这一规律性来检测是否有误码，即做到自动监测，以保证传输质量。（5）编码方案信源统计依赖性最小信道上传输的基带传输码型应具有对信源统计依赖最小的特性，即对信源经信源编码后，直接转换的数字信号的类型不应有任何限制（例如“1”和“0”出现的概率及连“0”多少等）。（6）编译码设备应尽量简单。212.2码型设计原则（7）码型要尽量增大编码效率，从而降低对带宽的需求。数据元素：表示一块信息的最小实体，即位。信号元素：用于承载数据元素，是载体。数据速率：又称为信息速率、比特率，1秒发送的数据元素（位）的数量。单位是bps。信号速率：又称为码元速率、调制速率、波特率，1秒发送的信号元素的数量。单位是波特baud定义比率r为每个信号元素承载的数据元素的数量。也称为编码效率。该值越大越好。222.3编码效率t10111个信号元素1个数据元素t10112个信号元素1个数据元素t110111111个信号元素2个数据元素t110111013个信号元素4个数据元素r=1r=1/2r=2r=4/3232.3编码效率NRZ(单极性不归零码)的r=1。NRZ-L（双极性不归零码）的r=1NRZ-I（差分码码）的r=1，光接口100Base-FX/100Base-Tx使用此码型。单极性归零码和双极性归零码的r=1/2，很少使用，由性能更好的曼彻斯特码、差分曼彻斯特码取代。24数字基带信号的码型种类很多，但没有一种码型能满足上述所有要求，在实际应用中，往往是根据需要全盘考虑，有取有舍，合理选择。下面给大家介绍一些目前广泛应用的重要码型。2.3常用码型25（1）双相码双相码是一种在比特中点位置上电平跳转为相反极的码型。目前最常用的两种双相码是曼彻斯特码和差分曼彻斯特码。①曼彻斯特码它的特点是每个比特用两个连续极性相反的电平来表示。如1用负、正电平表示，0用正、负电平表示。因为该码在每个比特间隔的中心都存在电平跳变，所以有丰富的位定时信息。电平的跳变既作为数据信息又作为同步信息。在中点位置上出现的由负到正的跳变表示1；由正到负的跳变表示0。在这种码中，正、负电平各占一半，因而不存在直流分量。2.3常用码型26①曼彻斯特码1用“-+”表示；0用“+-”表示2.3常用码型r=1/2t27曼彻斯特码适用于数据终端设备在短距离上的传输，这种码常被用于以太网10Base-T中。2.3常用码型28②差分曼彻斯特码曼彻斯特码极性反转时会引起译码错误，为解决此问题，可以采用差分曼彻斯特码，这种码常被用于令牌环网中。在差分曼彻斯特码中，每个码元中间的跳变仅做同步之用，每个比特的值根据其开始的边界是否存在跳变来决定。比特的开始有跳变代表0，无跳变代表1。2.3常用码型29②差分曼彻斯特码t2.3常用码型r=1/230（2）传号反转CMI码CMI码中，1用“++”“--”交替表示，0用“-+”表示。

CMI码没有直流分量，有频繁的波形跳变，这个特点便于恢复定时信号。有一定的规律性可用来进行宏观检测。由于CMI码易于实现且具有上述特点，因此在高次群脉冲编码终端设备E4中被广泛用作接口码型，在光纤传输系统中也有时用作线路传输码型。2.3常用码型31（2）传号反转CMI码1用“--”“++”交替表示；0用“-+”表示。t2.3常用码型r=1/232（3）AMI码传号交替反转码常记作AMI码。在AMI码中，二进制位0用0电平表示，二进制位1交替地用+1和-1表示。AMI码中正负电平个数大致相等，故无直流分量，低频分量较小。利用传号交替反转规则，在接收端可以检错纠错，比如发现有不符合这个规则的脉冲时，就说明传输中出现错误。2.3常用码型33（3）AMI码1用“+”“-”交替表示；0用“0电平”表示。t优点：无直流、且可以发现简单错误缺点：如果出现长“0”则提取同步困难2.3常用码型r=1若接收端收到的码元极性与发送端完全相反，也能正确判断34（4）3阶高密度双极性零码（HDB3）当信息中出现连0码时，AMI码将长时间不出现电平跳变，这给提取定时信号带来困难。为了克服传输波形中出现长连0的情况，在AMI的基础上设计了改进型的HDB3码。在它的码字中最长连0数不超过3个。双相码适用于局域网，并不适合于长距离通信（由于宽带宽需求），有直流成分的编码（如NRZ）也不适合长距离的电接口编码，AMI编码中连续0的长序列会不同步，也不适合长距离，相比，HDB3码就适合于长距离通信。2.3常用码型35编码规则：在传输的二进制序列中，当连0码不大于3个时，编码规律与AMI相同，即1变为+1-1的交替脉冲，0码保持不变。当代码序列中出现4个连0码或超过4个连0码时，把连0码按4个0分节，并使第4个0码变为1码，用V脉冲表示，即将0000变为000V。为了便于识别V脉冲，要使V脉冲的极性与前一个1码脉冲极性相同。由于连0节的这种安排破坏了AMI码的极性交替变化规律，故称V脉冲为破坏点脉冲。000V称为破坏节。2.3常用码型36

为使代码序列中不含直流分量，要使相邻破坏点V脉冲的极性交替变化。为了在破坏脉冲的极性也交替的情况下保证破坏脉冲对整个序列极性交替的破坏性，要使两个相邻的破坏点V脉冲之间有奇数个1。如果原序列中两个相邻的破坏点之间1码的个数为偶数个，则必须补为奇数。这就要使破坏节中的第1个0变为1，并用B脉冲表示。这是破坏节变为B00V的形式。B脉冲的极性要求与前一个1脉冲相反，而保持与本节中的V脉冲极性相同。2.3常用码型37HDB3码编码步骤(1)按照前面规则把0000换为000V或者B00V。(2)使信码中的1连同B按“+1”“-1”规律交替变化，同时V也要按“+1”“-1”规律交替变化，并且要求V与它前面相邻的B同极性。38特点：无直流分量，便于直接传输克服了出现长连0的缺点，也避免了因失去定时信息而造成的问题。具有检错能力，当传输过程出现单个误码时，破坏点序列的极性交替规律将受到破坏，在接收端通过检查相邻的破坏点脉冲的极性是否符合极性交替规律便可进行差错检查，而且检查设备比较简单。因此，HDB3码在PCM基带传输中得到了广泛的应用。2.3常用码型39[例]HDB3编码举例01000011000001010第1个破坏节第2个破坏节01000V11B00V01010第1个破坏节第2个破坏节0+1000+V-1+1-B00-V0+10-10第1个破坏节第2个破坏节(1)(2)(3)40[例]HDB3解码举例0+1000+1-1+1-100-10+10-10连续非0同号表明后面那个是V0连续非0同号表明后面那个是V由于中间只有2个0，所以前面那个是B’00再把所有1的符号去掉就恢复了原始信息了(1)找出V。从码中找出相邻两个同极性的码元，后一个必是V(2)找出B。V前面如果只有两个0，那么之前的1必是B(3)将V和B还原为0，将所有+1-1去掉符号412.3常用码型（5）多进制码这种编码的码元可取多个电平之一，每个码元可代表多个二进制位。例如，若表示码元的信号取4个电平之一，则一个码元可表示两个二进制位。422.3常用码型较为常见的多进制码有自然码和格雷码。一般地，多进制码所需的M个电平是以0电平为中心对称等距设置的。例如：当M=4时多进制码所选用的4的电平为3a、a、-a、-3a。自然码格雷码电平位电平位-3a00-3a00-a01-a01a10a113a113a10432.3常用码型例2.11分别采用四电平自然码和四电平格雷码对数据001110011000进行编码。t-3a-aa3at-3a-aa3a自然码格雷码r=2442.3常用码型常用的多元码有2B1Q(两个二元一个四元，用于DSL数字用户线路技术中)、8B6T(8个二元六个三元，用于100BASE-T4电缆中)。452.3常用码型与二进制码传输相比，多进制码的主要特点就是信息速率大于波特率，因而可以提高频带的利用率。在波特率相同的情况下，多进制码的信息速率提高了log2M倍，比如，四元码与二元码相比，其信息速率是二元码的两倍。通常M的取值为2的幂次。但在发送功率一定的情况下，M越大抗噪声干扰的能力就越低。鉴于此，M的取值一般不易超过16。多电平码的缺点是再生判决电路复杂。462.3常用码型在快速以太网（100BASE-TX、100BASE-FX）使用了4B/5B码，其中100BASE-FX是采用4B/5B码与NRZ-I码的组合，即先进行4B/5B编码，再进行NRZ-I编码;100BASE-TX是采用4B/5B码与MLT-3码的组合，即先进行4B/5B编码，再进行MLT-3编码;NRZ-I与MLT-3有很好的信号速率，但是它们有同步问题，连续0的长序列会让接收方失去同步。一种解决方法是在使用它们之前先采用4B/5B编码，就是用5个二进制位来表示4个二进制位，保证了每5位码中至少有两个1，不会有多于3个连续的0，从而保证接收端同步时钟的提取。474B/5B编码在4B/5B编码中，将4位输入置换为5位输出，每个输出仅包含不超过一个前导0和两个后缀0，因此当不同的组组合成新的序列时，最多只会有3个连续的0。4B/5B的编码效率r=0.8484B/5B编码111111111110111101t1110111101494B/5B编码千兆以太网用的是8B/10B编码与NRZ编码组合方式；万兆以太网用的是64B/66B编码。其原理与4B/5B类似。50MLT-3编码100Base-TX采用MLT-3编码。MLT-3编码有三种电平：正电平、负电平和零电平。编码规则如下：如果该比特是0，则电平保持不变。如果该比特是1，则产生跳变，此时又分两种情况。如果前一输出是“正电平”或“负电平”，则本次输出为“零电平”；如果前一输出是“零电平”，则本次输出的值与上一个非0值符号相反。51MLT-3编码如果该比特是0，则电平保持不变。如果该比特是1，则产生跳变，此时又分两种情况。如果前一输出是“正电平”或“负电平”，则本次输出为“零电平”；如果前一输出是“零电平”，则本次输出的值与上一个非0值符号相反。523数字基带系统的工作原理基带传输系统的基本结构如下图所示。它主要由脉冲形成器、发送滤波器、信道、接收滤波器和采样判决器、码元再生器组成。为了保证系统可靠有序地工作，还应有同步机制。脉冲形成器输入

{dk}信道接收

滤波器d(t)

输出

{dk‘}噪声n(t)采样

判决器同步

提取y(t)码元再生器定时脉冲发送

滤波器gT(t)yT(t)53脉冲形成器输入的是由计算机等终端设备发送来的二进制数据序列或是经模数转换后的二进制脉冲序列，它们一般是脉冲宽度为Tb的单极性NRZ码（原始基带信号往往不适合直接在信道中传输）脉冲形成器的作用就是把原始基带信号{dk}变换成适合于信道传输、并可提供同步定时信息的基带信号d(t)。脉冲形成器输入

{dk}信道接收

滤波器d(t)

输出

{dk‘}噪声n(t)采样

判决器同步

提取y(t)码元再生器定时脉冲发送

滤波器gT(t)yT(t)3数字基带系统的工作原理54发送滤波器进一步将输入的矩形脉冲序列d(t)变换成适合信道传输的波形gT(t)。这是因为矩形波含有丰富的高频分量，若直接送入信道传输，容易产生失真。脉冲形成器输入

{dk}信道接收

滤波器d(t)

输出

{dk‘}噪声n(t)采样

判决器同步

提取y(t)码元再生器定时脉冲发送

滤波器gT(t)yT(t)3数字基带系统的工作原理55信道是允许基带信号通过的介质，通常为有线信道，如市话电缆等。信道既传送信号，又因存在噪声n(t)和频率特性不理想而对数字信号造成损害，可能使得接收端得到的波形yT(t)与发送波形gT(t)具有较大差异。脉冲形成器输入

{dk}信道接收

滤波器d(t)

输出

{dk‘}噪声n(t)采样

判决器同步

提取y(t)码元再生器定时脉冲发送

滤波器gT(t)yT(t)3数字基带系统的工作原理56接收滤波器是为了减小信道特性不理想和噪声对信号传输的影响而设置的。主要是滤除带外噪声并对已接收的波形均衡，以便采样判决器正确判断。脉冲形成器输入

{dk}信道接收

滤波器d(t)

输出

{dk‘}噪声n(t)采样

判决器同步

提取y(t)码元再生器定时脉